ナノ制限空間内分子集団の特異な相挙動に立脚した統合的ナノ細孔評価手法の構築

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555214
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 宮原 稔 京都大学, 工学研究科, 助教授 (60200200)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 東谷 公 京都大学, 工学研究科, 教授 (10039133)
• Keywords: ナノ細孔 / 毛管凝縮 / 窒素吸着等温線 / 分子シミュレーション / 細孔内凝固 / 原子間力顕微鏡 / FSM-16 / メソ多孔体

Research Abstract

工業的に重要な多孔質固体はナノメータオーダの細孔を有する場合が多い。その細孔評価は,通常,窒素吸着法を用いるが,Kelvinモデルはナノ細孔径を過小評価してしまうにもかかわらず,ほぼ普遍的に用いられている。すなわちナノ細孔径を簡便かつ正確に予測し得る工学モデルが欠如している現状にある。本研究では,細孔壁引力が相当に寄与し得るナノ空間内での特異な相挙動の理解に立ったナノ細孔径評価手法の構築を目指している。本年度の結果概要は以下の通りである。
1.吸着等温線測定:昨年度のFSM-16を用いての検討により,「細孔壁引力強度」を組み込んだ凝縮モデルはその妥当性の検証に成功している。これを受け,種々の材質の固体材料について,窒素に加えてアルゴン,メタノール,シクロヘキサンを吸着質に用い,それらの種々の組み合わせに対して,吸着等温線を測定した。なお固体は,多孔体とともに,同材質の非多孔性固体も用いている。この網羅的データ自体,相互作用強度推定のデータベースとなるものである。
2.相互作用強度検討:窒素吸着に対して我々が提案した方法による相互作用同定は,相互作用強度が小さい吸着質については改善が必要と判明し,低圧部でのHenry則領域を活用した新たな同定手法を提案した。これに基づけば,提案モデルは,吸着質が異なっても整合性のある細孔径推定が可能であることを検証した。なおKelvinモデルは,当然,これに能わない。
3.AFMによる凝固実験検討:カーボン粒子表面-グラファイト基板間のフォース測定に取り組み,凝固現象を検出することに成功した。前項で定めたシクロヘキサン-グラファイト間の相互作用強度は,実測された凝固点上昇度と良い整合性があることが確認でき,凝縮現象と凝固現象を,単一の物性値で統一的に説明することに成功した。
以上の検討により,細孔壁引力を考慮した凝縮および凝固モデルの適用性は,対象とした種々の系において良好であることを検証した。種々の液体分子-固体表面間の相互作用強度データと組み合わせ,以上の成果は,特異なナノ空間での相挙動から細孔径分布を同定する統合手法として結実したと考える。

Research Products

• [Publications] 宮原 稔: "細孔・粒子界面での凝縮・反応挙動"粉体工学会誌. 39. 826-833 (2002)
• [Publications] Minoru Miyahara et al.: ""Freezing Point Elevation in Nanospace detected directly by Atomic Force Microscopy", in Characterization of Porous Solids VI, F.Reinoso et al.eds."International Adsorption Society, IK International. 411-418 (2003)